高压变频技术在发电生产过程中的应用实例

　　节能降耗成为一个发电企业生产经营管理水平的重要标准之一，火力发电行业是众多能源行业之一，火电厂也是一个进行能源转换的行业，在消耗一次能源的同时生产出二次能源。在消耗和生产的转换过程中，如何实现低耗高效是一个需要长期关注和不断发展的行业问题。
　　变频器有着“现代工业维生素”之称，在节能方面的效果不容忽视，现已广泛应用于国民经济的各行各业和人民的日常生活中，高压电动机加装变频器，实现设备电动机的无级调速正是目前应用最广的一项电动机调速节电技术，经验数据表明，变频节电效果至少在30%。以下介绍天津大唐国际盘山发电有些责任公司（以下简称盘山发电公司）对汽机凝结水泵进行变频改造实现节能降耗的具体例证。
　　一、设备概述
　　盘山发电公司2×600MW火电机组是我国华北地区建设投产最早的600MW亚临界火电机组，是京津唐电网的主力机组。
　　该公司每台机组配有2台立式长轴泵凝结水泵。1台凝结水泵即可满足机组BMCR工况要求，运行中采用一台运行一台备用的方式。
　　凝结水泵属于是立轴静叶出力不可调水泵。凝结水量的调整通过“除氧器水位调节站”中的30%流量调整门和70%流量调整门来调整，维持正常运行中的除氧器水位。
　　二、凝结水泵变频改造
　　由流体力学可知，泵与风机的流量与转速的一次方成正比，压力与转速的平方成正比，功率与转速的立方成正比，如果水泵的效率一定，当要求调节流量下降时，转速可成比例地下降，而此时轴输出功率成立方关系下降，即水泵电动机的功率与转速近似成立方比的关系。变频器就是利用电力电子器件的通断作用将工频电源变换为另一频率的电能控制装置。先把工频交流电源通过整流器转换成直流电源，然后再把直流电源转换成频率、电压均可控制的交流电源供给电动机。频率可控即电动机转速可控，从而达到节能的目的。
　　盘山发电公司的2台600MW机组，每台机组配备了2台凝结水泵，单台额定容量为1940m3/h，电动机功率为2500kW，额定电流274A，正常为1台运行，另1台备用，在额定600MW负荷下运行最大电流250.5A，只有额定电流的91.4%，低负荷运行最低电流到200A左右，是额定电流的73%。根据对凝结水泵运行工况和参数的分析，盘山发电公司对凝结水泵进行了变频改造。由于凝结水泵正常运行方式是一运一备，故将采用“一拖二”方案，即每台机组的2台凝结水泵可共用1套变频装置，以节约投资。
　　三、改造方案
　　2007年9月，盘山发电公司利用4#机组小修的机会对凝结水泵进行了变频改造。采用的是北京利德华福电气技术有限公司的HARSVERT－A06/280（正弦波系列异步电动机普通控制型）高压变频器。该系列高压变频调速系统采用单元串联多电平技术，6kV输入，6kV高压输出，属高－高电压源型变频器。该变频装置主机柜由控制柜、功率柜、变压器柜以及旁路柜4个柜体组成，高压变频器接入电气系统的方式如图1所示。其中：QF1、QF2为高压开关，QS1、QS4为入口刀闸，QS2、QS5为出口刀闸，QS3、QS6为旁路刀闸。

图1：高压变频器接入电气系统方式图

　　整个改造方案包括三部分改造。第一是就地高压变频器的安装和接入。在就地搭建了专门的变频小间，其中安装的主要设备包括：高压变频器主柜体、双路控制电源切换箱、高压变频器UPS（交流不停电）电源柜、高压变频小间柜式空调机以及变频冷却系统。高压变频器的所有就地操作、运行参数和报警参数的检查设置都在变频小间内完成。第二是电气开关部分的改造。6kV高压开关加装了高压变频器保护回路和“工频变频工作方式”切换把手，配合凝结水泵变频运行和工频变频两种工作方式的切换。另外，从380V低压交流厂用母线段和220V直流母线段完成了高压变频器控制电源和操作电源的供电改造。第三部分是热工逻辑和DCS操作画面的改造。在DCS画面上增加一幅凝泵变频画面。在不同工作方式下启动凝结水泵的方法也不同。当工频方式下，画面提示凝泵在工频方式，在原画面的操作按钮上按下启动，则合6kV开关直接启动凝结泵电动机，运行中，通过除氧器水位调节站凝结水量调整门的开度来调节凝结水量维持除氧器水位；当在变频方式下，画面提示凝结泵在变频方式，在原画面的操作按钮上按下启动，则仅合入6kV开关，然后在新增画面上的高压变频器启动按钮上按下启动，则启动高压变频器同时启动凝结泵电动机，运行中的除氧器水位调节站凝结水量调整门保持全开，通过调整电动机转速改变出力以调节凝结水量维持除氧器水位。

　　四、旁路柜介绍
　　该变频装置主机柜由控制柜、功率柜、变压器柜以及旁路柜4个柜体组成，前三者属于高压变频器核心柜体。而旁路柜（如图1中虚线框内所示部分）的布置主要决定于高压变频器所带负载的数目以及工频和变频工作方式的切换方法。凝结水泵一运一备的运行方式决定了变频改造采用了一拖二的公用变频器的改造方式，因此，其旁路柜功能就较为复杂。它是由6个高压隔离开关QS1～QS6组成，隔离开关分别选用GN19系列单投和双投户内高压隔离开关，相间距为210mm；单投隔离开关的进线端的3个绝缘端子为高压带电显示装置的3个传感器，柜面外加输入、输出端子实现工频、变频指示。如果M1工作在变频状态，M2可以工作在工频状态；相反如果M2工作在变频状态，则M1可以工作在工频状态；如果检修高压变频器，2台负载都可以工频运行。
　　一拖二的公用方式决定了实现变频运行工频备用的特殊工作方式，以及各开关刀闸之间复杂的闭锁关系。各开关刀闸之间复杂的闭锁关系如下：
　　1）QS1和QS4，QS2和QS5之间实现电气闭锁和逻辑闭锁。确保只能有1台凝结水泵可以投入变频，无法将2台同时投入变频方式。
　　2）QS3和QS2，QS6和QS5安装机械互锁装置，确保凝泵电动机只能处于工频或者变频工作方式，防止发生高压变频器输出侧与6kV电源侧短路等严重事故。
　　3）QS1、QS2合闸，QS3分闸，且高压变频器发出合闸允许信号时QF1才能合闸，此时如果发出高压变频器重故障信号，QF1立刻跳闸。2号旁路柜相同。
　　4）QS1、QS2分闸，QS3合闸时，QF1可以合闸，此时高压变频器重故障信号不能使QF1跳闸。2号旁路柜相同。
　　5）当凝结泵变频运行过程中，变频运行给定指令小于95%，系统将闭锁压力低联泵保护，防止变频正常调节过程中联动启备用泵。变频运行给定指令大于95%，压力低保护动作时联启备用泵动作有效。
　　需要说明的是，在凝结泵变频运行方式的判断回路中，采取了旁路隔离开关分闸的指示信号作为唯一判断依据。主要是考虑到关键判断回路的简单和可靠性，而没有读取变频上下口隔离开关的状态进行判断。避免判断条件过多，导致回路容易出错的问题。
　　五、凝泵变频装置冷却系统介绍
　　为了保证高压变频器具有良好的运行环境，高压变频器室配一套冷却系统用于室内环境降温。空冷器的风道与高压变频器排风口相连，从高压变频器出来的热风，经过通风管道排放到内有固定水凝管的散热器中，散热器中通过温度低于33℃的冷水，热风经过散热片后，将热量传递给冷水，变成热风从散热片吹出，热量被循环冷却水带走，从而保证高压变频器控制室内的环境温度不高于40℃。
　　此冷却系统有两大优点：一是属于强迫风冷系统，增压风机的增压效果极大地提高了冷热风的循环速度和热交换的强度；二是该系统配有反冲洗系统，可以定期对冷却水管道进行冲洗和对冷却器管道进行反冲洗。定期清理管道内积存的污泥和杂物，对提高冷却效果有着事半功倍的效果。鉴于盘山发电公司已经改造过的一次送风机变频装置也存在运行温度高的问题，目前已经开始对一次送风机变频系统加装同样的冷却系统。
　　六、凝结泵变频改造的节能效果预期
　　目前，凝结泵变频改造已经完成并且顺利投入使用，长期节能效果以及数据正在收集统计之中，目前各典型负荷点凝结泵工频运行和变频运行的电流对照见下表：

　　通过对照，可以很明显看出凝结泵变频改造的节能效果十分明显，尤其是对于低负荷运行阶段节电效果十分巨大。参考经验数据，凝结泵变频后即使按节电40%计算，假定凝结水泵负荷率为85%，机组年利用时间为5800h，那么全年2台机组节电约986万kW•h。因此，对凝结泵加装高压变频器很有必要。
　　盘山发电公司对凝结泵的变频改造取得了初步成功，节能效果明显。发电生产设备中高压转机设备占有绝对数量，对转机设备进行变频改造的节能效果十分明显，节能经验和数据说明：技术因素对能耗的变化起着主导和决定性作用。利用新型技术对设备进行改造，根据实际应用情况进行进一步完善和革新，确保节能和安全达到完全统一。